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Development of multifunctional Thermal Barrier Coatings and modelling tools for high temperature power generation with improved efficiency

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Rivestimenti con barriera termica migliorati

Le turbine a gas funzionano a temperature molto elevate e i rivestimenti con barriera termica (TBC, thermal barrier coating) sono necessari per impedire la degradazione dei componenti e aumentare l’efficienza. Nuove formulazioni dei rivestimenti promettono di migliorare in modo significativo le loro prestazioni.

Tecnologie industriali

La generazione di energia tramite turbine a gas si basa sulla combustione di carburante e sul successivo utilizzo dei gas molto caldi per alimentare una turbina. Attualmente, le turbine a gas sono una delle tecnologie più usate per la produzione di energia, soprattutto con l’utilizzo di gas naturale che si ritiene abbia dei notevoli vantaggi rispetto alla combustione del carbone. Piani futuri includono lo sfruttamento di idrogeno o syngas (una miscela di idrogeno, monossido di carbonio e biossido di carbonio). I TBC proteggono i componenti dalle alte temperature di esercizio e migliorano inoltre in modo significativo l’efficienza della produzione di energia elettrica riducendo al minimo la perdita di calore. Un grande consorzio europeo ha avviato il progetto THEBARCODE (Development of multifunctional thermal barrier coatings and modelling tools for high temperature power generation with improved efficiency) per sviluppare TBC migliorati e convenienti in termini di costi. Il team ha studiato le formulazioni umide e secche dello strato di finitura e anche gli strati ancoranti da utilizzare direttamente sotto lo strato di finitura. I ricercatori del progetto THEBARCODE hanno preparato con successo una serie di materiali non convenzionali con tecniche di sintesi rispettose dell’ambiente e una formulazione delle nanopolveri resistente alla corrosione per lo strato ancorante. Quale strada semplice e conveniente per ottenere superfici con funzionalità graduata è stata studiata una modifica della superficie della polvere a spruzzatura termica pronta per il mercato. Per l’applicazione sono stati impiegati dei metodi a basso costo, che includono le tecnologie della spruzzatura termica e di quella al plasma, e la deposizione da vapore pulsata. Il team ha impiegato un test di micro indentazione per misurare la durezza degli strati di finitura su una scala microscopica. Essi hanno anche effettuato un test di flessione a tre punti allo scopo di determinare l’elasticità al piegamento tra strato di finitura e strato ancorante. Il team di ricerca ha studiato le proprietà meccaniche, l’effetto della procedura di ricottura e il comportamento in caso di ciclo termico e shock termico dei TBC sviluppati. Questo lavoro ha portato alla selezione di cinque promettenti formulazioni per i rivestimenti da depositare sulle parti reali del motore. Sono stati sviluppati nuovi modelli per l’analisi delle crescita della cricca che consentono di prevedere i guasti e la durata dei TBC. Inoltre, il team ha studiato differenti metodi per fare in modo che il tasso di rilascio dell’energia di deformazione sia dipendente dai cicli termici. Gli scienziati hanno fornito una tecnologia TBC olistica, completa di nuovi materiali e di un trattamento conveniente, che migliorerà significativamente l’efficienza della produzione di energia delle turbine a gas. Si tratta di un’importante tecnologia di transizione mentre il mondo si impegna per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Il miglioramento della sua efficienza ne aumenterà l’impatto.

Parole chiave

Rivestimenti con barriera termica, turbine a gas, generazione energia, THEBARCODE, strati ancoranti

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